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科研进展

植物逆境中心Rosa Lozano-Duran研究组解析植物病毒与宿主围绕卡哈尔体的博弈新机制

2020-10-17

        10月16日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心,上海植物逆境生物学研究中心Rosa Lozano-Duran课题组在eLife发表了题为“A virus-encoded protein suppresses methylation of the viral genome through its interaction with AGO4 in the Cajal body”的研究论文。该论文报道了植物病毒V2蛋白通过与宿主蛋白AGO4在卡哈尔体(Cajal body)内相互作用抑制宿主依赖于AGO4的DNA甲基化进而提高病毒毒力。该研究洞察了抗病防御、RNA介导的DNA甲基化(RdDM)途径和细胞核里的细胞器卡哈尔体三者之间的功能关系。
 

        在植物中,RNA 介导的DNA甲基化(RdDM) 途径负责从头DNA甲基化的建立,并在植物防御病毒过程中起着重要作用。众所周知,RdDM途径中的一些关键组件蛋白富集在卡哈尔体内,但是这些关键组件蛋白定位在卡哈尔体内的生物学意义至今仍难以捉摸。在全球范围内对农作物产量造成巨大损失的双生病毒,利用双链 DNA中间体 (dsDNA) 在受感染细胞的细胞核内复制,而这种DNA中间体正好是植物利用RdDM途径防御病毒的靶向物。作为一种反击策略,双生病毒进化出了基因沉默抑制因子来保护病毒基因组免受甲基化。由双生病毒番茄黄化曲叶病毒 (TYLCV) 编码的V2 蛋白能够抑制植物对病毒基因组的甲基化。然而,V2 蛋白实现该功能的分子机制尚不清楚。 
 
        该研究发现植物病毒V2蛋白通过与宿主内RdDM途径中的关键组件AGO4蛋白特异的在卡哈尔体中相互作用进而抑制宿主对病毒基因组的甲基化修饰。通过基因沉默技术knock down烟草中的AGO4并开展了一系列功能分析,该研究论证了AGO4在宿主防御TYLCV中发挥作用且该过程被V2抑制。利用ChIP和RIP技术,本研究阐明了更进一步的分子机制:即V2通过干扰AGO4蛋白与病毒DNA或RNA的结合,从而达到保护病毒基因组免受甲基化的目的。
 
        重要的是,通过沉默卡哈尔体中含量最丰富的组成蛋白coilin进而阻止卡哈尔体的形成可以显著地减少V2 无效突变的病毒基因组上的甲基化修饰,这表明,在没有V2的情况下,宿主对病毒基因组的甲基化修饰依赖于卡哈尔体的正常结构。该论文作者更深入的研究发现,V2 抑制DNA甲基化的活性需要其在卡哈尔体内的定位和其与AGO4 在该细胞器内的互作,这也进一步支持了卡哈尔体在宿主对病毒基因组的甲基化修饰过程中扮演着重要角色且病毒蛋白V2可以抑制宿主依赖于该细胞器的对病毒基因组的甲基化。
 
        综上所述,该研究不但洞察了病毒与宿主博弈的新机制,而且阐明了在植物抗病防御过程中依赖于AGO4的RdDM途径与卡哈尔体在功能上的关联。该研究成果为深入的探究宿主-病毒之间的互作,从而设计抗病策略、培育抗病作物提供了新思路。
 
        Rosa Lozano-Duran研究员为该论文通讯作者,博士后王立平为该论文第一作者,该项研究得到了中国科学院、国家自然科学基金的资助。

V2抑制宿主依赖于AGO4对病毒基因组甲基化修饰的模型

 
图片说明:在病毒侵染过程中,ssDNA 的TYLCV基因组形成dsDNA复制中间产物。在抗病毒防御机制中,这些中间产物成为宿主依赖于AGO4的RNA介导的DNA甲基化(RdDM)途径的靶点。在该RdDM途径中,病毒小干扰 RNA(vsiRNA)被生产并装载到AGO4中。在没有病毒编码的V2蛋白的情况下,AGO4-vsiRNA复合物可以通过与支架RNA碱基互补配对和Pol  V结合从而被有效地被引导到病毒的基因组,并招募甲基转移酶 DRM2 催化病毒基因组的甲基化。然而,当V2存在时,V2与AGO4相互作用,干扰了AGO4与病毒DNA和RNA的结合,使病毒能够逃逸宿主对病毒基因组依赖于AGO4 的甲基化。